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聚氨酯/水玻璃(PU/WG)复合灌浆材料既克服了聚氨酯灌浆材料自生热高、成本高且阻燃性能差的缺点，又避免了水玻璃灌浆材料性能单一、强度低且无弹性的缺点。然而，由于有机无机材料的不相容性，硅酸盐的引入，会致使PU/WG复合灌浆材料相对于聚氨酯灌浆材料的韧性和强度均有所下降。因此，有效改善有机无机相间的相容性能够实现PU/WG复合灌浆材料韧性和强度的提高。此外，当灌浆材料受到持续载荷作用一段时间后，在材料的内部会出现微裂纹，微裂纹的进一步扩展会引发材料的宏观断裂，这种情况对灌浆材料的正常使用以及维护成本带来了极大的影响。因此，开发具有自修复功能的材料，使基材对微裂纹等缺陷在不需要人工干预就能实现自我诊断、自我修复，对保证灌浆材料的正常使用、延长使用寿命，并降低维护成本，具有重要的经济价值和社会效益。 基于PU/WG复合灌浆材料有机无机相相容性的改善、机械性能的提高、使用寿命的延长和维护成本降低的考虑，本论文进行了以下两方面的研究: 一、PU/WG复合灌浆材料的界面改性 硅烷偶联剂改性PU/WG复合灌浆材料的有机无机界面性质。系统研究了硅烷偶联剂对PU/WG复合灌浆材料有机无机界面性质和机械性质的影响。结果表明:引入氯丙基三甲氧基硅烷(CTS)可使PU/WG灌浆材料具有良好的机械性能，其中CTS的最佳剂量为2.5wt％，水玻璃的最佳预处理时间为30min。添加2.5wt％CTS所制备的PU/WG灌浆材料在13-25℃温度下老化3天后，比未改性PU/WG灌浆材料的压缩强度增加11％-40％，低温增强明显且材料固化速度更快;断裂韧度增加9.68％，断裂能增加21.33％;弯曲强度提高6.6％，弯曲模量提高15.85％。此外，干固化与水固化对CTS改性灌浆材料强度影响不大，材料良好的耐水性被保留。这主要是由于CTS的引入，一方面促进了聚硅酸盐颗粒的细化和均匀分散，另一方面CTS与聚氨酯中异氰酸酯进行反应增加了有机相的交联密度。 二、PU/WG复合灌浆材料的自修复研究 (1)单层异氰酸酯微胶囊的制备与表征。在表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的复配乳化体系下，成功合成了单层异氰酸酯微胶囊并考察了其自修复性能和加工性能。研究结果表明:首先，非离子表面活性剂聚乙烯醇(PVA)和以表面活性剂SDBS、稳定剂PVP复配的乳化体系均可实现微胶囊的可控合成。其次，以表面活性剂SDBS、稳定剂PVP的乳化体系，通过界面聚合法成功合成出包覆有异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)的微胶囊。微胶囊包覆率在60wt％左右，并且其相应的自修复环氧树脂涂层展现出良好的自修复性能。此外，芯材IPDI与壳材多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)可以不借助溶剂便能在常温下混合形成均一稳定油相，随后由于芯材、壳材与交联剂二乙烯三胺(DETA)的反应活性不同而分别转变为微胶囊的芯液和外壳。但是由于微胶囊外壳由单层脆性的聚脲组成。部分微胶囊在受到外界作用力时容易产生裂缝，致使内部芯液的渗出。因此，微胶囊的加工性能较差。 (2)多层异氰酸酯微胶囊的制备与表征。系统考察了PVA乳化剂浓度的影响，成功合成出多层异氰酸酯微胶囊。微胶囊复合外壳主要由交联的PVA外壳层和致密的聚脲内壳层组成。球形的微胶囊表面光滑、具有明显的核壳结构。合成多层异氰酸酯微胶囊时，PVA乳化剂的最佳浓度为5wt％，此浓度下既能保证微胶囊尺寸的良好均一性，又能实现微胶囊的高产率。在600rpm和5wt％的PVA乳液体系下，微胶囊的平均颗粒尺寸为96±23μm，且微胶囊的包覆率高达80wt％，其中芯液中IPDI与PAPI的摩尔比约为9。所制备的微胶囊外壳具有良好的致密性，使微胶囊在水中浸泡10天或在空气中暴露3个月后微胶囊芯液含量仍在50wt％以上。 (3)自修复树脂基材料的制备与自修复性能。考察了乳化时间、乳化速度对微胶囊尺寸的影响、微胶囊的加工性能及其相应自修复材料的耐腐蚀性和自修复效率。结果表明:制备微胶囊的最佳乳化时间为4min。乳化强度对微胶囊粒径影响显著，随着乳化机转速从400rpm增加到1200rpm，微胶囊的平均颗粒尺寸由153μm降至33μm。另外，微胶囊不仅与基材具有良好的相容性，而且微胶囊既能在与环氧树脂混合的过程中保持结构的完整，也能被基材内部的微裂纹所触发引起微胶囊的破碎，释放自修复液。在微胶囊自修复性能方面，含有15wt％微胶囊的自修复环氧涂层能够很好地修复涂层中的划痕，阻止外界盐水对涂层下面铁片的腐蚀。此外，通过锥形双悬臂梁试验对自修复环氧材料和自修复PU/WG材料的自愈合效率进行测试发现:当微胶囊颗粒尺寸越大或微胶囊含量越多时，释放的自修复液越多，自修复效率越高。且在600rpm下制备微胶囊用于自修复材料的制备，当环氧树脂中含有15wt％的该微胶囊时，材料的自修复效率达到104.8％;当PU/WG材料中含有20wt％的该微胶囊时，材料的自修复效率达到101.3％。 综上所述，本论文的研究内容主要包括:一、采用特殊偶联剂CTS对PU/WG复合灌浆材料进行界面改性，实现了颗粒细化和交联密度增加的目的，解决了该材料强度低、韧性差的缺点;二、采用界面聚合的方法，制备了具有复合壳层的异氰酸酯微胶囊，研究了微胶囊的加工性能和自修复性能，实现了自修复材料自修复性能的提高，保证了材料的正常使用和使用寿命的延长。本论文的研究可为PU/WG复合灌浆材料的机械性能提高和使用寿命延长提供理论指导和实践基础。